甲醇—水分离板式精馏塔的设计

1化工原理课程设计题 目 甲醇水分离板式精馏塔的设计系 （院） 化学与化工系专 业 化学工程与工艺班 级 2009 级 2 班学生姓名 李建国学 号 2009022640指导教师 刘元伟职 称 讲师二一一年 十二 月 十 日滨州学院课程设计说明书滨州学院课程设计任务书专业 09 化工 班级 化工本二班 学生姓名：李建国发题时间： 2011 年 12 月 10 日一、课题名称甲醇水分离板式精馏塔设计二、课题条件（原始数据）原 料：甲醇、水溶液 处理量：3500Kg/h原料组成：24%（甲醇的质量分率）料液初温： 20操作压力、回流比、单板压降：自选进料状态：冷液体进料塔顶产品浓度： 97%（质量分率）塔底釜液含甲醇含量不高于 1%（质量分率）塔 顶：全凝器塔 釜：饱和蒸汽间接加热塔板形式：筛板生产时间：300 天/年，每天 24h 运行冷却水温度：20设备形式：筛板塔厂 址：滨州市三、设计内容（包括设计、计算、论述、实验、应绘图纸等根据目录列出大标题即可）1 、设计方案的选定2、精馏塔的物料衡算3、塔板数的确定4、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算（加热物料进出口温度、密度、粘度、滨州学院课程设计说明书比热、导热系数）5、精馏塔塔体工艺尺寸的计算6、塔板主要工艺尺寸的计算7、塔板的流体力学验算8、塔板负荷性能图（精馏段）9、换热器设计10、馏塔接管尺寸计算11、制生产工艺流程图（带控制点、机绘，A2 图纸）12、绘制板式精馏塔的总装置图（包括部分构件） （手绘，A1 图纸）13、撰写课程设计说明书一份 设计说明书的基本内容课程设计任务书课程设计成绩评定表中英文摘要目录设计计算与说明设计结果汇总小结参考文献14、 有关物性数据可查相关手册15、 注意事项 写出详细计算步骤，并注明选用数据的来源 每项设计结束后列出计算结果明细表 设计最终需装订成册上交四、进度计划（列出完成项目设计内容、绘图等具体起始日期）1.设计动员，下达设计任务书 0.5 天2.收集资料，阅读教材，拟定设计进度 1-2 天3.初步确定设计方案及设计计算内容 5-6 天4.绘制总装置图 2-3 天5.整理设计资料，撰写设计说明书 2 天6.设计小结及答辩 1 天滨州学院课程设计说明书目 录摘要 1第一章 概述 .11.1 精馏操作对塔设备的要求 11.2 板式塔类型 1第二章 设计方案的确定 .22.1 操作条件的确定 22.2 确定设计方案的原则 3第三章塔的工艺尺寸得计算 43.1 精馏塔的物料衡算 43.1.1 摩尔分率 43.1.2 平均摩尔质量 53.1.3 物料衡算 53.1.4 回 收率 53.2 塔板数的确定 53.2.1 理论板层数 N 的求取 53.3 精馏塔有关物性数据的计算 93.3.1 操作压力计算 93.3.2 操作温度计算 93.3.3 平均摩尔质量计算 .103.3.4 平均密度计算 .103.3.5 液体平均表面张力计算 .113.3.6 液体平均黏度计算 .123.4 精馏塔的塔体工艺尺寸设计 .123.4.1 塔径的计算 .133.4.2 精馏塔有效高度的计算 .133.5 塔板主 要工艺尺寸的计算 .163.5.1 溢流装置计算 .163.5.2 塔板布置 .183.6 筛板的流体力学验算 .203.6.1 塔板压降 .203.6.2 液面落差 .213.6.3 液沫夹带 .223.6.4 漏液 .223.6.5 液泛 .23滨州学院课程设计说明书3.7 塔板负荷性能图 .233.7.1 漏液线 .243.7.2 液沫夹带线 .243.7.3 液相负荷下限线 .243.7.4 液相负荷上限线 .253.7.5 液泛线 .26第四章 塔附属设计 304.1 塔附件设计 .304.2 筒体与封头 .324.3 塔 总体高度设计 .334.3.1 塔的顶部空间高度 .334.3.2 塔的底部空间高度 .334.3.3 塔体高度 .334.4 附属设备设计 .334.4.1 冷凝器的选择 .334.4.2 泵的选择 .34设计小结 .35附 录 .36参考文 献 .39滨州学院课程设计说明书摘 要化工生产过程中所处理的原料，中间产物，粗产品几乎都是由若干组分组成的混合物，而且其中大部分都是均相物质。生产中为了满足存储、运输。加工和使用的要求，时常将这些混合物分离为较纯净的物质。精馏是分离液体混合物最常用的一种单元操作，在化工、炼油、石油化工等工业得到广泛应用。精馏过程在能量驱动下，使气、液两相多次接触和分离，利用各组分挥发度的不同，使挥发组分由液相向气相转移，实现原料混合物中各组分分离，该过程是同时进行传热传质过程。本次设计任务为设计一定处理量的分离甲醇-水混合物的精馏塔。板式精馏塔也是很早出现的一种板式塔，20 世纪 50 年代起对板式精馏塔进行了大量工业规模的研究，逐步掌握了筛板塔的性能，并形成了较完善的设计方法。与泡罩塔相比，板式精馏塔具有下列优点：生产能力（20%40%）塔板效率（10%50%）而且结构简单，塔盘造价减少 40%左右，安装，维修都较容易。而在板式精馏塔中，筛板塔有结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的 60，为浮阀塔的 80左右，处理能力大等优点，综合考虑更符合本设计的要求。化工原理课程设计是培养我们化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程、塔板结构等图形。在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性、经济合理性。本课程设计的主要内容是过程的物料衡算，工艺计算，结构设计和校核。关键词：板式精馏塔 筛板 计算 校核滨州学院课程设计说明书0第一章 概述甲醇水是工业上最常见的溶剂，也是非常重要的化工原料之一，是无色、无毒、无致癌性、污染性和腐蚀性小的液体混合物。因其良好的理化性能，而被广泛地应用于化工、日化、医药等行业。近些年来，由于燃料价格的上涨，甲醇燃料越来越有取代传统燃料的趋势，且已在郑州、济南等地的公交、出租车行业内被采用。山东业已推出了推广燃料甲醇的法规。长期以来，甲醇多以蒸馏法生产，但是由于甲醇水体系有共沸现象，普通的精馏对于得到高纯度的甲醇来说产量不好。但是由于常用的多为其水溶液，因此，研究和改进甲醇水体系的精馏设备是非常重要的。塔设备是最常采用的精馏装置，无论是填料塔还是板式塔都在化工生产过程中得到了广泛的应用，在此我们作板式塔的设计以熟悉单元操作设备的设计流程和应注意的事项是非常必要的。1.1 精馏操作对塔设备的要求精馏所进行的是气(汽)、液两相之间的传质，而作为气(汽)、液两相传质所用的塔设备，首先必须要能使气(汽)、液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率。但是，为了满足工业生产和需要，塔设备还得具备下列各种基本要求：（1）气(汽)、液处理量大，即生产能力大时，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏操作的现象。（2）操作稳定，弹性大，即当塔设备的气(汽)、液负荷有较大范围的变动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性。（3）流体流动的阻力小，即流体流经塔设备的压力降小，这将大大节省动力消耗，从而降低操作费用。对于减压精馏操作，过大的压力降还将使整个系统无法维持必要的真空度，最终破坏物系的操作。（4） 结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。（5）耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。（6） 塔内的滞留量要小。实际上，任何塔设备都难以满足上述所有要求，况且上述要求中有些也是互相矛盾的。不同的塔型各有某些独特的优点，设计时应根据物系性质和具体要求，抓住主要矛盾，进行选型。1.2 板式塔类型气液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。精馏操作既可采用板式塔，也可采用填滨州学院课程设计说明书1料塔，填料塔的设计将在其他分册中作详细介绍，故本书将只介绍板式塔。板式塔为逐级接触型气液传质设备，其种类繁多，根据塔板上气液接触元件的不同，可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔等多种。板式塔在工业上最早使用的是泡罩塔(1813 年)、筛板塔(1832 年)，其后，特别是在本世纪五十年代以后，随着石油、化学工业生产的迅速发展，相继出现了大批新型塔板，如 S 型板、浮阀塔板、多降液管筛板、舌形塔板、穿流式波纹塔板、浮动喷射塔板及角钢塔板等。目前从国内外实际使用情况看，主要的塔板类型为浮阀塔、筛板塔及泡罩塔，而前两者使用尤为广泛，因此，本章只讨论筛板塔的设计。筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有：（1） 结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的 60，为浮阀塔的 80左右。（2）处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加 1015。（3） 塔板效率高，比泡罩塔高 15左右。（4）压降较低，每板压力比泡罩塔约低 30左右。筛板塔的缺点是：（1）塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。（2） 操作弹性较小(约 23)。（3）小孔筛板容易堵塞。第二章 设计方案的确定本设计任务为甲醇水混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的 2 倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。2.1 操作条件的确定确定设计方案是指确定整个精馏装置的流程、各种设备的结构型式和某些操作指标。例如组分的分离顺序、塔设备的型式、操作压力、进料热状态、塔顶蒸汽的冷凝方式等。下面结合课程设计的需要，对某些问题作些阐述。2.1.1 操作压力蒸馏操作通常可在常压、加压和减压下进行。确定操作压力时，必须根据所处理物料的性滨州学院课程设计说明书2质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性进行考虑。例如，采用减压操作有利于分离相对挥发度较大组分及热敏性的物料，但压力降低将导致塔径增加，同时还需要使用抽真空的设备。对于沸点低、在常压下为气态的物料，则应在加压下进行蒸馏。当物性无特殊要求时，一般是在稍高于大气压下操作。但在塔径相同的情况下，适当地提高操作压力可以提高塔的处理能力。有时应用加压蒸馏的原因，则在于提高平衡温度后，便于利用蒸汽冷凝时的热量，或可用较低品位的冷却剂使蒸汽冷凝，从而减少蒸馏的能量消耗。2.1.2 进料状态 进料状态与塔板数、塔径、回流量及塔的热负荷都有密切的联系。在实际的生产中进料状态有多种，但一般都将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，这主要是由于此时塔的操作比较容易控制，不致受季节气温的影响。此外，在泡点进料时，精馏段与提馏段的塔径相同，为设计和制造上提供了方便。2.1.3 加热方式蒸馏釜的加热方式通常采用间接蒸汽加热，设置再沸器。有时也可采用直接蒸汽加热。若塔底产物近于纯水，而且在浓度稀薄时溶液的相对挥发度较大(如酒精与水的混合液)，便可采用直接蒸汽加热。直接蒸汽加热的优点是：可以利用压力较低的蒸汽加热；在釜内只须安装鼓泡管，不须安置庞大的传热面。这样，可节省一些操作费用和设备费用。然而，直接蒸汽加热，由于蒸汽的不断通入，对塔底溶液起了稀释作用，在塔底易挥发物损失量相同的情况下，塔底残液中易挥发组分的浓度应较低，因而塔板数稍有增加。但对有些物系(如酒精与水的二元混合液)，当残液的浓度稀薄时，溶液的相对挥发度很大，容易分离，故所增加的塔板数并不多，此时采用直接蒸汽加热是合适的。值得提及的是，采用直接蒸汽加热时，加热蒸汽的压力要高于釜中的压力，以便克服蒸汽喷出小孔的阻力及釜中液柱静压力。对于甲醇水溶液，一般采用 0.40.7KPa（表压） 。2.1.4 冷却剂与出口温度冷却剂的选择由塔顶蒸汽温度决定。如果塔顶蒸汽温度低，可选用冷冻盐水或深井水作冷却剂。如果能用常温水作冷却剂，是最经济的。水的入口温度由气温决定，出口温度由设计者确定。冷却水出口温度取得高些，冷却剂的消耗可以减少，但同时温度差较小，传热面积将增加。冷却水出口温度的选择由当地水资源确定，但一般不宜超过 50 ，否则溶于水中的无机盐将析出，生成水垢附着在换热器的表面而影响传热。2.2 确定设计方案的原则确定设计方案总的原则是在可能的条件下，尽量采用科学技术上的最新成就，使生产达到技术上最先进、经济上最合理的要求，符合优质、高产、安全、低消耗的原则。为此，必须具体考虑如下几点：2.2.1 满足工艺和操作的要求所设计出来的流程和设备，首先必须保证产品达到任务规定的要求，而且质量要稳定，这滨州学院课程设计说明书3就要求各流体流量和压头稳定，入塔料液的温度和状态稳定，从而需要采取相应的措施。其次所定的设计方案需要有一定的操作弹性，各处流量应能在一定范围内进行调节，必要时传热量也可进行调整。因此，在必要的位置上要装置调节阀门，在管路中安装备用支线。计算传热面积和选取操作指标时，也应考虑到生产上的可能波动。再其次，要考虑必需装置的仪表(如温度计、压强计，流量计等)及其装置的位置，以便能通过这些仪表来观测生产过程是否正常，从而帮助找出不正常的原因，以便采取相应措施。2.2.2 满足经济上的要求要节省热能和电能的消耗，减少设备及基建费用。如前所述在蒸馏过程中如能适当地利用塔顶、塔底的废热，就能节约很多生蒸汽和冷却水，也能减少电能消耗。又如冷却水出口温度的高低，一方面影响到冷却水用量，另方面也影响到所需传热面积的大小，即对操作费和设备费都有影响。同样，回流比的大小对操作费和设备费也有很大影响。2.2.3 保证安全生产例如甲醇属易燃物料，不能让其蒸汽弥漫车间，也不能使用容易发生火花的设备。又如，塔是指定在常压下操作的，塔内压力过大或塔骤冷而产生真空，都会使塔受到破坏，因而需要安全装置。以上三项原则在生产中都是同样重要的。但在化工原理课程设计中，对第一个原则应作较多的考虑，对第二个原则只作定性的考虑，而对第三个原则只要求作一般的考虑。第三章 塔的工艺尺寸得计算3.1 精馏塔的物料衡算3.1.1 摩尔分率甲醇的摩尔质量 32/AMkgmol水的摩尔质量 18B原料液 4/0.52376Fx滨州学院课程设计说明书4塔顶 97/320.491Dx塔底产品 56/8W3.1.2 平均摩尔质量原料液 0.132(0.1)82.1/FMkgmol塔顶 9479473D塔底产品 56560/Wkl3.1.3 物料衡算进料流量 30174./2.Fkmolh全塔物料衡算 轻组分 FDWX式中 F原料液流量，kmol/hD流出液流量，kmol/hW釜残液流量，kmol/hXF原料液中易挥发组分的摩尔分数XD流出液中易挥发组分的摩尔分数XW釜残液中易挥发组分的摩尔分数馏出液流量 26.81/kmolh釜液流量 473.1.4 回收率甲醇的回收率 26.810947%6.83%5DAFx水的回收率 ().2(10.5)9.06WBFx滨州学院课程设计说明书53.2 塔板数的确定3.2.1 理论板层数 N 的求取3.2.1.1 最小回流比及操作回流比计算表 3-1 甲醇水气、液平衡组成（摩尔）与温度关系由上表数据（贾绍义,柴诚敬主编化工原理课程设计天津:天津大学出版社，2002）作甲醇-水的 t-x-y 图如下图 3-1 所示：温度/ 液相 气相 温度/ 液相 气相 温度/ 液相 气相100 0 0 84.4 0.15 0.517 69.3 0.70 0.87096.4 0.02 0.134 81.7 0.20 0.579 67.6 0.80 0.91593.5 0.04 0.234 78.0 0.30 0.665 66.0 0.90 0.95891.2 0.06 0.304 75.3 0.40 0.729 65.0 0.95 0.97989.3 0.08 0.365 73.1 0.50 0.779 64.5 1.0 1.087.7 0.10 0.418 71.2 0.60 0.825滨州学院课程设计说明书6t-x60657075808590951000 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1系 列 1系 列 2t-y图 3-1 甲醇的 t-x(y)相图当 时，由图 3-1 甲醇的 t-x(y)相图，可查得溶液的泡点温度为0.158FXT 泡 =84.5查得泡点温度下甲醇的汽化热 1046.88KJ/Kg,水的汽化热 2500.0KJ/Kg 所以 12()43265.8/FmAFBrxrxMKJg+平均温度 T=52.25原料液的比热容 CP=76.59KJ/(Kmol. )所以 q 线方程为 y=9.772x -1.3231.4pmctrq根据进料线方程确定最小回流比如下图 3-2 所示：滨州学院课程设计说明书700.10.20.30.40.50.60.70.80.910 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1系 列 1系 列 2系 列 3q线图 3-2 最小回流比的确定由上图可以看出 q 线与平衡线的交点标为（0.195/0.577）故 min0.947.5091qDxyR取 in1.5故精馏段操作线方程 09386Dxyyx式中 R回流比3.2.1.2 液负荷的计算1.45726.8391/LDkmolh5.7V ./qFl 213Lkoh滨州学院课程设计说明书83.2.1.3 图解法求塔板数00.10.20.30.40.50.60.70.80.910 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1q 线1234567891011图 3-3 理论与塔板数的图解求法由上图可以看出总理论板数 N=11(包含再沸器)，精馏段理论板数为 5 块,其中第 6 块板为加料板。 3.2.2 实际板层数的求取根据气液平衡线方程 得 1xy2.94D6.W所以 =4.36mDW根据塔顶，塔底液相组成查图得，塔的平均温度 该温度下的进料相的平均黏81.5mT度： (1)mFx甲 水已知 mP.s mP.s =水 0.27甲代入上式得： 3mPs采用 Oconnell 法， 解得： 0.245.9()mTE0.45TE则有 块1N滨州学院课程设计说明书9块26014N总板效率的求取一般两种方法：1.经验数据2.采用 Oconnell 法， 0.245.9()LTE适用范围： ，板上液流长度1m.0.175L-塔顶和塔底平均温度下的相对挥发度；-塔顶和塔底平均温度下的粘度。L Lix3.3 精馏塔有关物性数据的计算物性数据数据的查取和估算对于工艺设计计算非常重要，精馏塔设计中主要的物性数据包括啊：密度、粘度、比热容、汽化潜热和表面张力。3.3.1 操作压力计算(影响气相密度，进而影响 VsD塔板结构参数)取塔顶表压为 0Kpa。塔顶操作压力 10.325DPKa每层塔板压降 ，一般 0.4-0.7kPa，浮阀塔板的压降为 0.2650.53kPa，筛7板的小于浮阀塔板，泡罩的大于浮阀塔板。进料板压力 10.325109.725FPPa塔底操作压力 97.4WK精馏段平均压力 ()/.m提馏段平均压力 10.25.1625PPa3.3.2 操作温度计算利用表 3-1 中数据由拉格朗日插值可求得 、 、 。FtDWt进料口 ： , =84.5Ft84.87.015015Ft塔顶 ： ， =65.09D6936.7DDt滨州学院课程设计说明书10塔釜 ： ， =98.48Wt93.596.402.064Wtt精馏段平均温度 187.82FDt提馏段平均温度 2.91W3.3.3 平均摩尔质量计算根据图 3-3 查得：塔顶 10.947Dxy10.86xkg/kmol320.868635DLMkg/kmol947(.).2V进料处 .1fx4fykg/kmol3208+-=FL（ .） 0.53kg/kmol.5()276VM塔底 6wx.4wy320.18(05)18.kg/mol54.3Lw3.3.3.1 精馏段的平均摩尔质量kg/kmol13.2768.0VMkg/kmol059L3.3.3.2 提馏段平均摩尔质量kg/kmol 2.76182.3Vkg/kmol059LM3.3.4 平均密度计算求得在 与 下甲醇与水的密度。不同温度下甲醇和水的密度（姚玉英 化工原理（上） 1t2P360-361 页附录二十）见表 3-2。滨州学院课程设计说明书11表 3-2 不同温度下甲醇和水的密度温度/ (kg/ )甲 3m(kg/ )水 3温度/ (kg/ )乙 3m(kg/ )水 350 750 988 80 721 97260 741 983 90 713 965.370 731 978 100 704 958.4利用表 3-2 数据由拉格朗日插值可求得 、 、 下的甲醇与水的密度FtDWt塔顶 ， =735.91 kg/65.09Dt765.0931471甲 甲 3m, =980.46 kg/8水 水同理 =717.4kg/ =969.0 kg/.5Ft甲 3水 3塔底 =705.4 kg/ =959.5 kg/94w甲 m水塔顶的液相密度 ：DL0.971.356DL34/kg同理 进料处： 0.182/80.2879FL=881.80 kg/ 3m塔釜液相密度 ： =956.06 kg/wL所以精馏段的液相的平均密度： =1374.6+81.kg/2m提留段的液相的平均密度： =L9509精馏段的气相密度： = =1.04 kg/1VPMRT精 5834(718)3提留段的气相密度： = =0.8367 kg/2提 2693.3.5 液体平均表面张力计算不同温度下甲醇和水的表面张力（姚玉英化工原理（上） P362-365 页附录二十一）见表 3-3。表 3-3 甲醇水不同温度下的表面张力滨州学院课程设计说明书12温度/ 60 70 80 90 100甲表面张力/ 310/Nm19.3 17.8 16.9 15.7 14.8水表面张力/ 66.2 64.3 62.6 60.7 58.8利用表 3-3 数据由拉格朗日插值可求得 、 、 的甲醇和水的表面张力FtDWt塔顶 65.09Dt765.091.831甲 38.5410/Nm甲=42.水 =67水同理 进料处： 求得： .5Ft 30/甲 31.50/水塔底 ： 求得： w9814.98Nm甲 9Nm水塔顶的张力 333m=0.61.0+65.2./进料出的张力 5/塔底的张力 38.mN3.3.5.1 精馏段液体平均表面张力 33125.01/9.210/m3.3.5.2 提馏段精馏段液体平均表面张力 33253.810/56.910/N3.3.6 液体平均黏度计算不同温度下甲醇和水的黏度， （姚玉英化工原理（上） P336 页附录六）见表 3-4。表 3-4 甲醇和水不同温度下的黏度温度 50 60 70 80 90 100甲醇黏度（ ）mPas0.393 0.347 0.306 0.271 0.240 0.214水的黏度（ ） 0.5494 0.4688 0.4061 0.3565 0.3165 0.2838利用表 3-4 数据由拉格朗日插值可求得 、 、 的甲醇和水的黏度FtDWt塔顶 0.326165.09Dt7605.9.3437甲 =甲 mPas滨州学院课程设计说明书137065.096.41.84甲 =0.369水 mPas同理 进料处 0.2571 85Ft=甲 mPas.85水 塔底 0.218 9.W甲 029水 as塔顶的黏度： m11()0.342x甲 水进料处黏度： 0.283 塔底黏度： 0.289=Pasm=Pas精馏段黏度： 1.8.s2提馏段黏度： 20936a3.4 精馏塔的塔体工艺尺寸设计3.4.1 塔径的计算精馏段的气、液相体积流率为 1v 3()26.8150.2/3604SVMRms311.9/LLD式中 V精馏段气相流量，kmol/hL精馏段液相流量，kmol/hMV1、M L1分别为精馏段气、液相平均摩尔质量，kg/kmol、 分别为精馏段气、液相平均密度，kg/m 31VL同理，提馏段的气、液相体积流率为 30.61/SVms30.24/Sms由极限空塔气速计算式： maxLvuC式中 、 分别为气、液相平均密度， kg/m3VLC 由式 计算0.2()M式中 C 20物系表面张力为 20mN/m 的负荷系数 m操作物系的液体平均表面张力，mN/m滨州学院课程设计说明书14C操作物系的负荷系数其中的 由史密斯关联图（姚玉英化工原理（下） P158 页图 3-7 史密斯关联图） ，200.2HT=0.60.450.30.150.40.30.2 1.00.70.10.040.030.02 0.070.010.040.030.020.070.010.10.090.060.05VLf20uC史密斯关联图 12()hLvV查取图的横坐标为 1 12 20.3968.3()()0.954hLvV式中 V h、L h分别为塔内气、液两相的体积流量，m 3/h、 分别为精馏段气、液相平均密度，kg/m 31同理，提馏段的为 12()0.65hLV取板间距 ，板上液层高度 ，则0.35TH.LhmTLhm同上， 20.8C同理，提馏段的板间距取 ，板上液层高度 。0.35T0.5Lh20.9C0.2.29()5()64Mmax816348/ums同理，提馏段的为 7Cax2./s选取泛点率：一般液体， ，易起泡液体， 。max8.06umax6.05u滨州学院课程设计说明书15取安全系数 0.8 则空塔气速为max0.8.1.483/us450267.sVD式中 D塔径，mVs塔内气体流量，m 3/su空塔气速，即按空塔截面积计算的气体线速度，m/s按标准塔径圆整后为 D=0.7常用的标准塔径为：0.6m、0.7m、0.8m、1.0m、1.2m、1.4m、1.6m、1.8m、2.0m、2.2m、4.2m。同理，提馏段为 1.936/ums0.4D按标准塔径圆整后为 7塔截面积为 222.854TA实际空塔气速为 0513/.us同理，提馏段的为 2Tm.64/us3.4.2 精馏塔有效高度的计算板间距选择：表 塔板间距与塔径的关系塔 径/ D， m 0.30.5 0.50.8 0.81.6 1.62.4 2.44.0板间距/ HT， mm 200300 250350 300450 350600 400600化工生产中常用板间距为：200，250，300，350，400，450，500，600，700，800 mm。在决定板间距时还应考虑安装、检修的需要。例如在塔体人孔处，应留有足够的工作空间，其值不应小于 600mm。 精馏段有效高度为 1()(12)0.358TZNHm提馏段有效高度为 24.在进料板上，下方各开一人孔，其高度为 0.8m故精馏塔的有效高度为 210.835.0821.Z滨州学院课程设计说明书163.5 塔板主要工艺尺寸的计算3.5.1 溢流装置计算溢流装置包括溢流堰和降液管。降液管形式和底隙： 降液管：弓形、圆形。小塔用圆形，一般采用弓形降液管。 塔板溢流形式有：U 型流、单溢流、双溢流和阶梯流。表 溢流形式选择塔 径 小塔、液体流量小 塔径小于 2.2m 塔径大于 2m 塔径很大、液体流量很大溢流形式 U 型流 单溢流 双溢流 阶梯流因塔径 D=0.7m，可选用单溢流弓形降液管。各项计算如下：3.5.1.1 堰长堰长由液相负荷和溢流形式决定。对单溢流，一般取 lw=0.6-0.8D，对双溢流，一般取lw=0.5-0.6D。取 0.6.7042Dm同理，提馏段的为 6.70.42wl3.5.1.2 溢流堰高度由 wLoh式中 堰高，m板上液层高度，mL堰上液层高度， mowh溢流堰板的形状由 决定， 6mm 选平直堰； 6mm 堰上液层高度owohowh，23.84()10oLEl近似取 E=1（一般情况取 1，可借用博尔斯对泡罩塔提出的液流收缩系数计算图求取。 ）式中 l w堰长，mLh塔内液体流量，m 3/hE液流收缩系数，若 how小于 6mm,采用齿形堰，当溢流层不超过齿顶时 ；当溢流层超1.7()nowLhl滨州学院课程设计说明书17过齿顶时 用试差法。5/25/20.73()wonnlLh则 2.84.961().80owhm同理，提馏段的为 0.37owh取板上清液层高度 6L故 0.58.42whm同理，提馏段的为 07wh3.5.1.3 弓形降液管宽度和截面积降液管截面积：由 Af/AT = 0.06- 0.12 确定；由 0.6wlD由弓形降液管的参数图（姚玉英化工原理（下） P163 页图 3-12 弓形降液管的宽度与面积）查得，0.54fTA.1dW故 2.380.f m7dD同理，提馏段的为 2.1fA0.dW为避免严重的气泡夹带，停留时间 ，其中 。35sfTSAHL验算液体在降液管中停留时间为： 3600.21.6839fThAHsL式中 L h塔内液体流量，m 3/hHT板间距，mAf弓形降液管截面积，m 2同理，提馏段的为 5.9s故降液管设计合理3.5.1.4 降液管底隙高度底隙 h0：通常在 30-40mm，若太低易于堵塞。，取36wLlu0.8/ms滨州学院课程设计说明书18式中 L h塔内液体流量，m 3/hlw堰长，m液体通过降液管底隙时的流速，m/s。根据经验，一般取 =0.07 m/s 0u 0u0.25 m/s则 0.3960.1428h降液管底隙高度比溢流堰高度低 0.006m。.56wm同理，提馏段的为 09/us0.328/hs0.4627.38.15wh故降液管底隙高度设计合理。3.5.2 塔板布置3.5.2.1 塔板的分块塔板类型按结构特点可分为整块式或分块式两种。一般，塔径从小于 800mm 时采用整块式塔板；当塔径在 900mm 以上时，采用分块式塔板。因 ，故塔板采用整块式。80Dm 溢流区区（受液区和降液区） W d一般两区面积相等。 鼓泡区 气液传质有效区入口安定区和出口安定区 Ws=50-100mm。边缘区：小塔 Wc=30-50mm，大塔 50-75mm。滨州学院课程设计说明书19WcWdWs lWrx筛孔数的计算: 2158.tAnppn每平方米鼓泡区的筛孔数。3.5.2.2 边缘区宽度确定取 ，0.4SWm.03C3.5.2.3 开孔区面积计算开孔区面积： 221(sin)8arxAx其中 0.7).4032dsDx m.32crW式中 边缘区宽度，mC开孔区面积，m 2aA弓形降液管宽度，mD破沫区宽度， mSW同理，提馏段的为 0.23x.r故 210.32(. sin)8aA07同理，提馏段的为 20.7aAm滨州学院课程设计说明书203.5.2.4 筛孔计算及其排列本利所处理的物系无腐蚀性，可选用 碳钢板，3m取筛孔直径 。01dm筛孔按正三角形排列，取孔中心距 为t03t同理，取提馏段的为 031tdm筛孔数目 n 为221.58.748aAt式中 开孔区面积， m2at孔间距，m同理，提馏段的为 个348n实际开孔 388开孔率为 201.%dAa同理，提馏段的为 8气体通过筛孔的气速为 00.5216.48/7SaVums同理，提馏段的为 2.7/ms3.6 筛板的流体力学验算3.6.1 塔板压降3.6.1.1 干板阻力计算干板阻力： 201h.5()VcLu式中 气体通过筛孔的气速，m/s0C0干筛孔的流量系数、 分别为精馏段气、液相平均密度，kg/m 31VL由 ，查查干筛孔的流量系数图得，0/3.d0.72C滨州学院课程设计说明书21干筛孔流量系数图故 液柱216.48.0h05().3427c m同理，提馏段的为 液柱h.5c3.6.1.2 气体通过液层的阻力计算气体通过液层的阻力： 1L0.52.37/8SaTfVumsA式中 V s塔内气体流量，m 3/sAT塔截面积，m 2Af弓形降液管截面积，m 20VuaF1.374.0同理，提馏段的为 1.73/aus0.58F查充气系数关联图，得 ，提馏段的.60.58故 液柱1h()6(42.0578).36Lwohm式中 h L板上液层高度，m充气因数，无量纲。液相为水时，=0.6,油时，=0.20.35，为碳氢化合物时，=0.40.5同理，提馏段的为 1h0.3483.6.1.3 液体表面张力的阻力计算液体表面张力所产生的阻力：滨州学院课程设计说明书22液柱31049.2810.976mLhmgd式中 d 0孔直径，m m操作物系的液体平均表面张力，mN/m同理，提馏段的为 液柱0.249h气体通过每层塔板的液柱高度 可按下式计算，即 1pch液柱0.342.67.1m同理，提馏段的为 059ph气体通过每层塔板的压降为（设计允许值）1.7281.6374.0.PLgPak同理，提馏段的为 （设计允许值）05981632.7P Pa3.6.2 液面落差液面落差 一般较小，可不计。当不可忽略时，对于筛板塔，液面落差很小，且本例的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。3.6.3 液沫夹带雾沫夹带量： 63.25.710()avmTfueHh25fLh式中 板上液层高度，mLHT板间距，m m操作物系的液体平均表面张力，mN/mua气体通过筛孔时的速度，m/s故 63.235.7107()0685/.1/928.51vekgk同理，提馏段的为 9/.ve故在本设计中液沫夹带量 在允许范围内。23(4)0.6fLsvbHZ滨州学院课程设计说明书233.6.4 漏液对筛板塔，漏液点气速： 0,min014.(56.3)/LVuCh.720.978.63/049./ms式中 板上液层高度，mLhC0干筛孔的流量系数、 分别为精馏段气、液相平均密度，kg/m 31VL与液体表面张力压强降相当的液柱高度，mh实际孔速 00,min6.48/usu同理，提馏段的为 ,i1.97/s00,min2.7/s稳定系数为 ,i6.48.59uK同理，提馏段的为 1.故在本设计中无明显漏液。3.6.5 液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液层高 ()dTwHh式中 H T板间距，mhw堰高，m系数，是考虑到降液管内充气及操作安全两种因素的校正系数。易气泡物系，不易起泡物系 ，一般物系，取 。0.340.670.5甲醇水物系属于一般物系，取 ，则.5().5(3.42)1TwHh同理，提馏段的为 0.98Twh而 dpLd板上不设进口堰， 可由式 5-30 计算，即液柱220.153().(8)0.97dhum